KR20170085533A - Superconducting switch system - Google Patents

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Abstract

입력부와 출력부를 갖는 필터 네트워크, 및 입력부를 출력부에 커플링하는 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 포함하는 초전도 스위치 시스템이 제공된다. 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트는 입력 신호의 원하는 부분이 출력 신호로서 입력부로부터 출력부로 통과하게 하는 제 1 인덕턴스, 및 입력 신호가 입력부로부터 출력부로 통과하는 것을 억제하는 제 2 인덕턴스 상태를 갖는다. 초전도 스위치 시스템은 제 1 인덕턴스 상태와 제 2 인덕턴스 상태 간의 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트의 스위칭을 제어하도록 구성된 스위치 제어기를 더 포함한다.There is provided a superconducting switch system comprising a filter network having an input and an output, and a variable inductance coupling element coupling the input to the output. The variable inductance coupling element has a first inductance that allows a desired portion of the input signal to pass from the input to the output as an output signal and a second inductance state that inhibits the input signal from passing from the input to the output. The superconducting switch system further includes a switch controller configured to control switching of the variable inductance coupling element between the first inductance state and the second inductance state.

Description

초전도 스위치 시스템{SUPERCONDUCTING SWITCH SYSTEM}{SUPERCONDUCTING SWITCH SYSTEM}

[0001] 본 출원은 2014년 12월 9일자로 출원된 미국 특허출원 제14/564996호로부터의 우선권을 주장하며, 이 출원의 요지는 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.[0001] This application claims priority from U.S. Patent Application No. 14 / 564,996, filed December 9, 2014, the entirety of which is incorporated herein by reference in its entirety.

[0002] 본 발명은 일반적으로 초전도 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초전도 스위치 시스템에 관한 것이다.[0002] The present invention relates generally to superconducting circuits, and more particularly to superconducting switch systems.

[0003] 종래의 마이크로파 기계, 전자 기계 및 전자 스위치들은 호환되지 않는 제조 공정들 및 높은 전력 손실로 인해 초전도 전자 회로들의 단일 칩 집적 및 극저온 작동과 호환되지 않을 수 있다. 마찬가지로, 전압 가변 커패시터들, 즉 버랙터들, 기계 드라이버들 또는 강유전체 및 페라이트 재료들과 같은 능동 컴포넌트들의 사용에 의해 일반적으로 실현되는 튜닝 가능 필터들은 단자속 양자(SFQ: single flux quantum) 기술들로 생성될 수 있는 신호 레벨들로 쉽게 제어 가능하지 않으며, 다수는 극저온들에서 작동 가능하지 않다. 초전도 마이크로파 필터들은 고정 및 튜닝 가능 둘 다 고온 및 저온 초전도체들 모두를 사용하여 이전에 실현되었지만, 스위칭 애플리케이션들에서의 이들의 사용은 높은 반사 손실, 제한된 사용 가능 대역폭 및 대역 외 오프 상태 절연 불량을 겪었다. [0003] Conventional microwave machines, electromechanical and electronic switches may not be compatible with single chip integration and cryogenic operation of superconducting electronic circuits due to incompatible manufacturing processes and high power losses. Likewise, tunable filters typically realized by the use of voltage variable capacitors, i.e., varactors, mechanical drivers, or active components such as ferroelectric and ferrite materials, are generated with single flux quantum (SFQ) techniques Lt; / RTI > is not readily controllable by the signal levels that can be achieved, and many are not operable at cryogenic temperatures. Although superconducting microwave filters have been previously realized using both fixed and tunable superconductors both in high temperature and low temperature, their use in switching applications has suffered from high return loss, limited usable bandwidth and off-band off state isolation failure .

[0004] 일례로, 입력부와 출력부를 갖는 필터 네트워크, 및 입력부를 출력부에 커플링하는 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트를 포함하는 초전도 스위치 시스템이 제공된다. 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트는 입력 신호의 원하는 부분이 출력 신호로서 입력부로부터 출력부로 통과하게 하는 제 1 인덕턴스 상태, 및 입력 신호가 입력부로부터 출력부로 통과하는 것을 억제하는 제 2 인덕턴스 상태를 갖는다. 초전도 스위치 시스템은 제 1 인덕턴스 상태와 제 2 인덕턴스 상태 간의 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트의 스위칭을 제어하도록 구성된 스위치 제어기를 더 포함한다. [0004] In one example, a superconducting switch system is provided that includes a filter network having an input and an output, and a variable inductance coupling element coupling the input to the output. The variable inductance coupling element has a first inductance state that allows a desired portion of the input signal to pass from the input to the output as an output signal and a second inductance state that inhibits the input signal from passing from the input to the output. The superconducting switch system further includes a switch controller configured to control switching of the variable inductance coupling element between the first inductance state and the second inductance state.

[0005] 다른 예에서, 초전도 스위치 시스템은 입력 단자와 출력 단자를 갖는 필터 네트워크, 및 입력 단자와 출력 단자 사이에 커플링된 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID: Superconducting Quantum Interference Device)를 포함한다. SQUID는 조지프슨 접합(Josephson junction), 조지프슨 접합의 제 1 단부에 커플링된 제 1 인덕터 및 조지프슨 접합의 제 2 단부에 커플링된 제 2 인덕터를 포함하며, 제 1 인덕터와 제 2 인덕터의 대향 단부들은 공통 전위에 접속되어 초전도 루프를 형성한다. 초전도 스위치 시스템은 또한 초전도 루프를 통한 유도 전류의 양을 제어하여, 입력 단자에 제공된 입력 신호의 원하는 대역폭 부분이 출력 단자에서 제공되는 제 1 인덕턴스 상태와, 입력 단자에 제공된 입력 신호의 원하는 대역폭 부분이 출력 단자로 통과하는 것이 억제되는 제 2 인덕턴스 상태 간에 조지프슨 접합을 스위칭하도록 구성된 스위치 제어기를 포함한다. [0005] In another example, a superconducting switch system includes a filter network having an input terminal and an output terminal, and a superconducting quantum interference device (SQUID) coupled between the input terminal and the output terminal. The SQUID includes a Josephson junction, a first inductor coupled to a first end of the Josephson junction, and a second inductor coupled to a second end of the Josephson junction, wherein the first inductor and the second inductor Are connected to a common potential to form a superconducting loop. The superconductivity switch system also controls the amount of induced current through the superconducting loop so that the desired bandwidth portion of the input signal provided at the input terminal is coupled to the first inductance state provided at the output terminal and the desired in- And a switch controller configured to switch the Josephson junction between a second inductance state in which passage to the output terminal is suppressed.

[0006] 또 추가 예에서, 초전도 스위치 시스템을 제공하는 방법이 제공된다. 이 방법은 입력 신호의 원하는 대역폭 부분을 초전도 스위치의 출력으로 통과시키기 위한 원하는 대역 통과 출력을 결정하는 단계, 초전도 스위치에 대한 대역 통과 필터 네트워크 토폴로지를 결정하는 단계, 및 대역 통과 필터에서 무선 주파수(RF: radio frequency) SQUID 삽입점을 결정하는 단계를 포함한다. SQUID는 초전도 루프에서 제 1 단부 상에서 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트에 커플링된 제 1 인덕터 및 제 2 단부 상에서 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트에 커플링된 제 2 인덕터를 포함한다. 이 방법은 초전도 스위치를 제공하기 위한 하나 이상의 입력 공진기 및 하나 이상의 출력 공진기 컴포넌트 값들을 결정하는 단계, 및 초전도 스위치를 포함하는 초전도체 스위치 시스템을 구축하는 단계를 더 포함한다. 초전도체 스위치는 하나 이상의 입력 공진기들, 하나 이상의 출력 공진기들 및 SQUID를 포함한다. 초전도체 스위치 시스템은 SQUID에 커플링된 바이어스 인덕터, 및 바이어스 인덕터를 통과하여 SQUID에 유도된 전류의 양을 스위칭하여 초전도체 스위치 시스템을 '온' 상태와 '오프' 상태 사이에서 변화시키는 스위치 제어기를 더 포함한다. [0006] In yet a further example, a method of providing a superconducting switch system is provided. The method includes determining a desired bandpass output for passing a desired bandwidth portion of the input signal to the output of the superconducting switch, determining a bandpass filter network topology for the superconducting switch, and determining a radio frequency : radio frequency) SQUID insertion point. The SQUID includes a first inductor coupled to the variable inductance coupling element on the first end and a second inductor coupled to the variable inductance coupling element on the second end in the superconducting loop. The method further comprises determining the values of the at least one input resonator and the at least one output resonator component to provide a superconducting switch, and constructing a superconductor switch system comprising a superconducting switch. The superconductor switch includes one or more input resonators, one or more output resonators, and a SQUID. The superconductor switch system further includes a bias inductor coupled to the SQUID and a switch controller that switches the amount of current induced in the SQUID through the bias inductor and between the 'on' and 'off' states of the superconductor switch system do.

[0007] 도 1은 초전도 스위치 시스템의 일례를 예시한다.
[0008] 도 2은 초전도 스위치 시스템의 다른 예를 예시한다.
[0009] 도 3은 '온' 상태인 도 2의 필터의 시뮬레이션 응답의 투과 및 반사 스캐터링 S-파라미터들 대 주파수의 그래프를 예시한다.
[0010] 도 4는 '오프' 상태인 도 2의 필터의 시뮬레이션 응답의 투과 및 반사 스캐터링 S-파라미터들 대 주파수의 그래프를 예시한다.
[0011] 도 5는 도 2의 필터 스위치에 대한 출력 응답 대 시간의 그래프를 출력하는 WRSpice 시뮬레이션을 예시한다.
[0012] 도 6a는 -90dBm의 구동 전력에서 스위치를 통한 신호 송신 대 주파수의 그래프를 예시한다.
[0013] 도 6b는 입력 전력의 함수로서 단일 주파수에서 '온' 상태인 스위치를 통한 신호 송신 전력의 그래프를 예시한다.
[0014] 도 7은 유도 K-인버터들을 사용하는 일반 결합 공진기 필터의 개략도를 예시한다.
[0015] 도 8은 초전도 스위치 시스템의 다른 예의 개략적인 블록도를 예시한다.
[0016] 도 9는 '온' 상태인 도 9의 필터의 시뮬레이션 응답의 투과 및 반사 스캐터링 S-파라미터들 대 주파수의 그래프를 예시한다.
[0017] 도 10은 '오프' 상태인 도 9의 필터의 시뮬레이션 응답의 투과 및 반사 스캐터링 S-파라미터들 대 주파수의 그래프를 예시한다.
[0018] 도 11은 광대역폭 스위치에서 이용될 수 있는 3차 체비셰프(Chebyshev) 프로토타입의 개략도를 예시한다.
[0019] 도 12는 '온' 상태인 광대역폭 스위치로서 구성된 도 12의 필터의 시뮬레이션 응답의 투과 및 반사 S-파라미터들 대 주파수의 그래프를 예시한다.
[0020] 도 13은 '오프' 상태인 광대역폭 스위치로서 구성된 도 12의 필터의 시뮬레이션 응답의 투과 및 반사 S-파라미터들 대 주파수의 그래프를 예시한다.
[0021] 도 14는 초전도 스위치 시스템을 제공하기 위한 방법을 예시한다.[0007] FIG. 1 illustrates an example of a superconducting switch system.
[0008] FIG. 2 illustrates another example of a superconducting switch system.
[0009] FIG. 3 illustrates a graph of the transmission and reflection scattering S-parameters versus frequency of the simulation response of the filter of FIG. 2 in the 'on' state.
[0010] FIG. 4 illustrates a graph of the transmission and reflection scattering S-parameters versus frequency of the simulation response of the filter of FIG. 2 in the "off" state.
[0011] FIG. 5 illustrates a WRSpice simulation that outputs a graph of output response versus time for the filter switch of FIG. 2.
[0012] FIG. 6A illustrates a graph of signal transmission versus frequency across a switch at a drive power of -90 dBm.
[0013] FIG. 6b illustrates a graph of signal transmit power over a switch that is 'on' at a single frequency as a function of input power.
[0014] FIG. 7 illustrates a schematic diagram of a general coupled resonator filter using inductive K-inverters.
[0015] FIG. 8 illustrates a schematic block diagram of another example of a superconducting switch system.
[0016] FIG. 9 illustrates a graph of the transmission and reflection scattering S-parameters versus frequency of the simulation response of the filter of FIG. 9 in the 'on' state.
[0017] FIG. 10 illustrates a graph of the transmission and reflection scattering S-parameters versus frequency of the simulation response of the filter of FIG. 9 in the 'off' state.
[0018] Figure 11 illustrates a schematic diagram of a tertiary Chebyshev prototype that may be used in a wide bandwidth switch.
[0019] FIG. 12 illustrates a graph of the transmission and reflection S-parameters versus frequency of the simulation response of the filter of FIG. 12 configured as a wide bandwidth switch in the 'on' state.
[0020] FIG. 13 illustrates a graph of the transmission and reflection S-parameters versus frequency of the simulation response of the filter of FIG. 12 configured as a wide bandwidth switch in the 'off' state.
[0021] FIG. 14 illustrates a method for providing a superconducting switch system.

[0022] 본 개시는 일반적으로 초전도 회로에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초전도 스위치 시스템에 관한 것이다. 초전도 스위치 시스템은 필터 네트워크의 섹션들을 커플링하고 디커플링하는 (가변 인덕턴스 결합 엘리먼트라고도 또한 지칭되는) 가변 인덕턴스 커플러를 포함할 수 있다. 일례로, 가변 인덕턴스 커플러는 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID)의 엘리먼트이다. SQUID는 모두 초전도 루프에 배열된 가변 인덕턴스 커플러의 대향 측들에 커플링된 제 1 인덕터 및 제 2 인덕터를 포함할 수 있다. 가변 인덕턴스 커플러는 예를 들어, 조지프슨 접합일 수 있는데, 이는 조지프슨 접합을 통해 흐르는 전류에 기초하여 변화될 수 있는 인덕턴스를 갖는다. 조지프슨 접합을 통해 흐르는 전류는 예를 들어, 바이어스 엘리먼트에 의해 SQUID에 인가된 자속에 기초하여 유도될 수 있다. [0022] This disclosure relates generally to superconducting circuits, and more particularly to superconducting switch systems. The superconducting switch system may include a variable inductance coupler (also referred to as a variable inductance coupling element) coupling and decoupling sections of the filter network. In one example, the variable inductance coupler is an element of a superconducting quantum interference device (SQUID). The SQUID may include a first inductor and a second inductor both coupled to opposite sides of the variable inductance coupler arranged in the superconducting loop. The variable inductance coupler can be, for example, a Josephson junction, which has an inductance that can be varied based on the current flowing through the Josephson junction. The current flowing through the Josephson junction can be derived, for example, based on the magnetic flux applied to the SQUID by the bias element.

[0023] 일례로, 조지프슨 접합은 SQUID에서 전류가 유도되지 않거나 저 전류가 유도될 때 제 1 인덕턴스를, 그리고 미리 결정된 임계치에 있는 전류 또는 보다 높은 전류가 SQUID에서 유도될 때 제 2 인덕턴스를 가질 수 있다. SQUID에서 유도된 미리 결정된 임계 전류는 바이어스 엘리먼트로부터 SQUID에 자속을 인가한 결과일 수 있는데, 자속은 예를 들어, 약 0.1Φ0 초과 그리고 약 0.45Φ0 미만이며, 여기서 Φ0은 자속 양자와 같다. 제 1 인덕턴스는 조지프슨 접합을 통해 어떠한 유도 전류도 흐르지 않을 때 조지프슨 접합의 수동 인덕턴스(예를 들어, /2e * 1/IC, 여기서 는 감소된 플랑크 상수이고, e는 기본 전하이며, IC는 조지프슨 접합의 임계 전류이다)가 될 수 있다. 이는 초전도 스위치 시스템이 입력 신호의 원하는 대역폭 부분의 통과를 가능하게 하는 '온' 상태가 되도록 필터 네트워크의 제 1 섹션과 필터 네트워크의 제 2 섹션 사이의 커플링을 가능하게 한다. 제 2 인덕턴스(예를 들어, 큰 인덕턴스 값)는 초전도 스위치 시스템이 입력 신호를 억제하는 '오프' 상태가 되도록 필터 네트워크의 제 1 섹션과 제 2 섹션 사이의 디커플링을 제공할 수 있다. In one example, the Josephson junction has a first inductance when a current is not induced in the SQUID or a low inductance, and a second inductance when a current at a predetermined threshold or a higher current is induced in the SQUID . The predetermined threshold current is induced in the SQUID can be a result of applying the flux to the SQUID from the bias element, the magnetic flux, for example, from about greater than 0 and less than about 0.1Φ 0.45Φ 0, where Φ 0 is equal to the flux quantum . The first inductance is the passive inductance of the Josephson junction (for example, / 2e * 1 / I C , where is the reduced Planck constant, e is the base charge, and I is the base charge when no induction current flows through the Josephson junction, C is the critical current of the Josephson junction). This enables coupling between the first section of the filter network and the second section of the filter network such that the superconducting switch system is in an " on " state that allows passage of the desired bandwidth portion of the input signal. A second inductance (e. G., A large inductance value) may provide decoupling between the first and second sections of the filter network such that the superconducting switch system is in an " off "

[0024] 도 1은 초전도 스위치 시스템(10)의 일례를 예시한다. 초전도 스위치 시스템(10)은 입력 신호(SIGIN)의 스위치 제어를 제공하도록 다양한 초전도 회로 시스템들 중 임의의 시스템으로 구현될 수 있다. 일례로, 입력 신호(SIGIN)는 큐비트에 대해 게이트 또는 판독 동작을 수행하는 것과 같이, 양자 회로에 대한 제어 방식으로 구현되는 마이크로파 신호일 수 있다. 다른 예로서, 입력 신호(SIGIN)는 신호 펄스 또는 다른 타입의 신호일 수 있다. 초전도 스위치 시스템(10)은 초전도 시스템이 '온' 상태(즉, 통과 상태)일 때 입력 신호(SIGIN)의 바람직한 부분(예를 들어, 특정 주파수 대역폭)에 대응할 수 있는 대역 통과 필터링된 출력 신호(SIGOUT)를 제공할 수 있다. 추가로, 입력 신호(SIGIN)의 모든 스펙트럼은 '오프' 상태(즉, 억제 상태)일 때는 입력 신호(SIGIN)의 원하는 부분 중 어느 부분도 출력 신호로서 제공되지 않도록 억제 또는 차단될 수 있다.[0024] FIG. 1 illustrates an example of a superconducting switch system 10. The superconductivity switch system 10 may be implemented in any of a variety of superconducting circuit systems to provide switch control of the input signal SIG IN . In one example, the input signal SIG IN may be a microwave signal implemented in a controlled fashion for a quantum circuit, such as performing a gate or read operation on a qubit. As another example, the input signal SIG IN may be a signal pulse or other type of signal. The superconductivity switch system 10 includes a superconducting switch system 10 that converts a bandpass filtered output signal 12 that can correspond to a desired portion of the input signal SIG IN (e.g., a particular frequency bandwidth) when the superconducting system is in an " (SIG OUT ). In addition, the input full spectrum of the signal (SIG IN) may be when the "off" state (that is, the suppression state) any part of the desired portion of the input signal (SIG IN) is suppressed or cut off so as not to be provided as an output signal .

초전도 스위치 시스템(10)은 하나 이상의 입력 공진기들로서 필터 네트워크(12)의 입력부를 그리고 하나 이상의 출력 공진기들로서 필터 네트워크(12)의 출력부를 구성하기 위한 하나 이상의 임피던스 컴포넌트들(즉, 커패시터들, 레지스터들, 인덕터들)을 갖는 필터 네트워크(12)를 포함한다. 하나 이상의 입력 공진기들 및 출력 공진기들 중 적어도 하나는 단락 전송선 스터브들로서 구현될 수 있다.The superconductivity switch system 10 includes one or more input resonators and one or more impedance components for configuring the input of the filter network 12 and the output of the filter network 12 as one or more output resonators (i.e., capacitors, , ≪ / RTI > inductors). At least one of the one or more input resonators and the output resonators may be implemented as short-circuit transmission line stubs.

[0025] 필터 네트워크(12)는 또한 가변 인덕턴스 커플러(예를 들어, 조지프슨 접합)를 갖는 SQUID(18)를 포함한다. SQUID(18)는 또한 SQUID(18)의 초전도 루프의 컴포넌트들 그리고 하나 이상의 입력 및/또는 하나 이상의 출력 공진기들의 임피던스 컴포넌트들 모두로서 동작하는 하나 이상의 컴포넌트들을 포함한다. 바이어스 엘리먼트(16)는 SQUID(18)에 전류를 유도하도록 SQUID(18)에 유도 결합된다. SQUID(18)에 유도된 전류의 변화는 가변 인덕턴스 커플러의 인덕턴스의 변화를 야기할 수 있다. [0025] The filter network 12 also includes a SQUID 18 having a variable inductance coupler (e.g., a Josephson junction). The SQUID 18 also includes one or more components that operate as both the components of the superconducting loop of the SQUID 18 and the impedance components of one or more inputs and / or one or more output resonators. The bias element 16 is inductively coupled to the SQUID 18 to induce a current in the SQUID 18. A change in the current induced in the SQUID 18 can cause a change in the inductance of the variable inductance coupler.

[0026] 예를 들어, 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트의 인덕턴스는 예를 들어, SQUID(18)의 초전도 루프에서 실질적으로 어떠한 유도 전류도 유도되지 않거나 낮은 유도 전류가 유도될 때 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트의 인덕턴스가 낮게 제 1 인덕턴스 상태로 변경될 수 있다. 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트가 제 1 인덕턴스 상태일 때, 네트워크의 제 1 부분은 필터 네트워크의 제 2 부분에 커플링되고 초전도 스위치 시스템(10)은 '온' 상태이다. 대안으로, 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트의 인덕턴스는 예를 들어, SQUID(18)의 초전도 루프에서 (SQUID에서 자속 양자의 절반의 상당 부분의 유도에 의해 야기되는) 상당한 전류가 유도될 때 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트의 인덕턴스가 높게 제 2 인덕턴스 상태로 변경될 수 있다. 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트가 고 인덕턴스 상태일 때, 네트워크의 제 1 부분은 필터 네트워크의 제 2 부분으로부터 디커플링되고 초전도 스위치 시스템(10)은 '오프' 상태이다. 바이어스 엘리먼트(16)는 바이어스 엘리먼트(16)에 대한 바이어스 전류의 양을 제어하는 스위치 제어기(14)에 의해 제어될 수 있으며, 이는 결국 SQUID에 인가되는 자속의 양 및 SQUID(18)에 유도되어 가변 인덕턴스 커플러를 통해 흐르는 전류의 양을 제어한다. [0026] For example, the inductance of the variable inductance coupling element may be adjusted such that, for example, substantially no inductive current is induced in the superconducting loop of SQUID 18, or when the inductance of the variable inductance coupling element is low, State. When the variable inductance coupling element is in the first inductance state, the first portion of the network is coupled to the second portion of the filter network and the superconducting switch system 10 is in the 'on' state. Alternatively, the inductance of the variable inductance coupling element may be adjusted by varying the inductance of the variable inductance coupling element, for example, when a significant current is induced in the superconducting loop of the SQUID 18 (caused by induction of a substantial portion of both of the flux in the SQUID) The inductance can be changed to the second inductance state with a high degree of inductance. When the variable inductance coupling element is in the high inductance state, the first portion of the network is decoupled from the second portion of the filter network and the superconducting switch system 10 is in the 'off' state. The bias element 16 can be controlled by a switch controller 14 that controls the amount of bias current for the bias element 16 which eventually leads to the amount of magnetic flux applied to the SQUID and to the SQUID 18, Controls the amount of current flowing through the inductance coupler.

[0027] 도 2는 단극 단투형(SPST: single-pole-single-throw) 마이크로파 스위치로서 구성된 필터 네트워크(32)를 갖는 초전도 스위치 시스템(30)의 일례를 예시한다. 도 2의 예에서는, 2-섹션 결합 공진기 대역 통과 필터가 조지프슨 접합(J1)의 형태로 튜닝 가능 인덕턴스 커플러를 갖는 무선 주파수 SQUID(34)에 내장된다. SQUID(34)는 조지프슨 접합(J1)의 대향 측들에 커플링된 제 1 인덕터(L1) 및 제 2 인덕터(L2)를 포함할 수 있으며, 제 1 및 제 2 인덕터의 대향 단부들은 공통 전위에 커플링되어 초전도 루프를 형성한다. 제 1 인덕터(L1)는 대역 통과 필터의 입력 공진기의 다른 컴포넌트들과 함께 입력 극을 형성하는데 이용될 수 있고, 제 2 인덕터(L2)는 대역 통과 필터의 출력 공진기의 다른 컴포넌트들과 함께 출력 극을 형성하는데 이용될 수 있다. 본 예에서, 입력 공진기는 제 1 커패시터(C1), 인덕터(LS1) 및 제 1 인덕터(L1)로 형성된다. [0027] FIG. 2 illustrates an example of a superconducting switch system 30 having a filter network 32 configured as a single-pole-single-throw (SPST) microwave switch. In the example of FIG. 2, a two-section coupled resonator bandpass filter is embedded in a radio frequency SQUID 34 having a tunable inductance coupler in the form of a Josephson junction (J 1 ). SQUID (34) may include a Josephson junction a first inductor coupled to the opposite sides of the (J 1) (L 1) and second inductor (L 2), the first and opposite ends of the second inductor are And is coupled to a common potential to form a superconducting loop. The first inductor L 1 may be used to form an input pole with other components of the input resonator of the bandpass filter and the second inductor L 2 may be used with other components of the output resonator of the bandpass filter Can be used to form the output poles. In this example, the input resonator is formed of a first capacitor C 1 , an inductor L S1 , and a first inductor L 1 .

[0028] 입력 결합 커패시터(CIC)를 통해 입력 공진기로의 입력 단자(IN)에 입력 신호(SIGIN)가 제공된다. 출력 공진기는 제 2 커패시터(C2), 인덕터(LS2) 및 제 2 인덕터(L2)로 형성된다. 출력 결합 커패시터(COC)를 통해 출력 공진기로부터의 출력 단자(OUT)에 출력 신호(SIGOUT)가 제공될 수 있다. 입력 결합 커패시터(CIC) 및 출력 결합 커패시터(COC)는 SQUID(34)의 초전도 루프를 통해 흐르는 전류가 SQUID(34)에 남아 있고 회로의 다른 부분들로 흐르지 않게 절연됨을 보장한다.An input signal SIG IN is provided to an input terminal IN of the input resonator through an input coupling capacitor C IC . The output resonator is formed of a second capacitor (C 2 ), an inductor (L S2 ), and a second inductor (L 2 ). The output signal SIG OUT may be provided at the output terminal OUT from the output resonator through the output coupling capacitor C OC . The input coupling capacitor C IC and the output coupling capacitor C OC ensure that the current flowing through the superconducting loop of the SQUID 34 remains in the SQUID 34 and is insulated from flowing to other parts of the circuit.

[0029] 조지프슨 접합(J1)은 조지프슨 접합(J1)을 통해 흐르는 유도 전류에 기초하여 변화될 수 있는 인덕턴스를 갖는다. 바이어스 인덕터(LB)는 SQUID(34)에 유도 결합되어 SQUID(34)에 자속을 인가하고 SQUID(34)에 전류를 유도한다. 바이어스 인덕터(LB)는 바이어스 인덕터(LB)에 대한 바이어스 전류(IB)의 양을 제어하는 스위치 제어기(36)에 의해 제어될 수 있는데, 이는 결국 SQUID(34)에서 조지프슨 접합(J1)을 통해 흐르는 유도 전류(IIND)의 양을 제어한다. 조지프슨 접합(J1)은 SQUID에서 전류가 유도되지 않거나 저 전류가 유도될 때 제 1 유도 상태를 가질 수 있어, 입력 공진기가 조지프슨 접합(J1)을 통해 필터 네트워크(32)의 출력 공진기에 커플링된다. 조지프슨 접합(J1)은 미리 결정된 더 높은 전류가 조지프슨 접합(J1)을 통해 흐르고 있는 경우에 제 2 유도 상태를 가질 수 있다. 제 2 유도 상태는, 기본적으로는 입력 공진기를 출력 공진기로부터 분리시키고 입력 신호가 출력 신호로서 제공되는 것을 억제하는 높은 인덕턴스이다. [0029] The Josephson junction (J 1 ) has an inductance that can be changed based on the induced current flowing through the Josephson junction (J 1 ). The bias inductor L B is coupled inductively to the SQUID 34 to apply a magnetic flux to the SQUID 34 and to induce a current in the SQUID 34. The bias inductor L B can be controlled by a switch controller 36 that controls the amount of bias current I B for the bias inductor L B which eventually results in a Josephson junction J 1 ) of the induction current I IND flowing through the resistor R1 . The Josephson junction J 1 may have a first inductive state when no current is induced in the SQUID or when a low current is induced so that the input resonator is coupled to the output resonator of the filter network 32 via the Josephson junction J 1 , Lt; / RTI > The Josephson junction (J 1 ) may have a second induced state when a predetermined higher current is flowing through the Josephson junction (J 1 ). The second inductive state is basically a high inductance that isolates the input resonator from the output resonator and inhibits the input signal from being provided as an output signal.

[0030] 도 2의 예에서는, 제 1 자속이 조지프슨 접합(J1) 및 인덕터들(L1, L2)에 의해 형성된 RF SQUID 루프(34)에 인가될 때, 제 1 유도 전류가 접합(J1)을 통해 흘러, 접합(J1)이 제 1 인덕턴스 값을 갖게 된다. 이 제 1 인덕턴스 상태는 회로 전체가 통과 대역에서 낮은 삽입 손실을 갖는 대역 통과 필터로서 기능하도록 설계될 수 있다. 다음에 초전도 스위치 시스템(10)은 '온' 상태라 한다. 제 2 자속이 RF SQUID 루프에 인가되면, 더 높은 제 2 전류가 접합(J1)에 유도되어 그 인덕턴스 값을 증가시키고, 입력 스테이지와 출력 스테이지 사이의 유도 결합을 0으로 구동한다. 다음에, 입력 공진기와 출력 공진기로 형성된 대역 통과 필터의 두 섹션들은 서로 디커플링되어, 필터 회로 전체가 모든 주파수들에서 높은 반사 손실을 갖게 되는데, 이는 필터가 반사되기 때문이다. 다음에 초전도 스위치 시스템(30)은 '오프' 상태라 한다. 일례로, 처음에 인가된 자속은 0 또는 그에 가깝고, 두 번째로 인가된 자속은 자속 양자의 절반의 상당 부분(예를 들어, 약 .1Φ0 내지 약 .45Φ0)이다.In the example of FIG. 2, when the first magnetic flux is applied to the RF SQUID loop 34 formed by the Josephson junction J 1 and the inductors L 1 and L 2 , (J 1 ), so that the junction J 1 has the first inductance value. This first inductance state can be designed so that the entire circuit functions as a band-pass filter having a low insertion loss in the pass band. Next, the superconducting switch system 10 is referred to as an 'on' state. When the second magnetic flux is applied to the RF SQUID loop, it is more high second current is induced in the junction (J 1) increase the inductance value and drives the inductive coupling between the input stage and the output stage to zero. Next, the two sections of the bandpass filter formed of the input resonator and the output resonator are decoupled from each other so that the entire filter circuit has a high return loss at all frequencies, because the filter is reflected. Next, the superconducting switch system 30 is said to be in an 'off' state. In one example, is the initially applied magnetic flux is zero, or close thereto, the second magnetic flux is applied in much of the magnetic flux quantum in half (e.g., about 0 to about .1Φ .45Φ 0).

[0031] 도 3 - 도 4는 애질런트 어드밴스드 설계 시스템(ADS: Agilent Advanced Design System)을 사용하는 도 2의 필터 스위치(32)의 시뮬레이션들의 그래프 응답을 예시한다. 이 시뮬레이션에서, 조지프슨 접합(J1)은 낮은 구동 전력에서 조지프슨 인덕턴스에 대응하는 선형 인덕터로서 취급된다. 시뮬레이션된 컴포넌트 값들은 LS1=LS2=60pH, L1=L2=169pH, C1=C2=1.19pF, CIC=COC=0.659pF, 그리고 접합에 대응하는 인덕턴스 LJ1=375pH이다. 도 3은 약 10GHz를 중심으로 하는 2GHz 통과 대역을 보여주는, '온' 상태인 필터 스위치(32)의 S21 및 S11을 나타내는 이득 대 주파수의 그래프(40)를 예시한다. S21 파라미터는 신호 송신 플롯(42)에 나타나고, S11 파라미터는 신호 반사 플롯(41)에 나타난다. 그 다음, 필터 스위치(32)는 RF SQUID 루프에 미리 결정된 자속을 인가함으로써 '오프' 상태로 전환되어, 접합(J1)의 인덕턴스를 증가시킨다. RF SQUID의 증가하는 유효 인덕턴스는 접합 인덕턴스의 값을 30배 상승시킴으로써 이득 대 주파수를 예시하는 도 4에 도시된 그래프(45)로 모델링된다. S21 파라미터는 신호 송신 플롯(46)에 나타나고, S11 파라미터는 신호 반사 플롯(47)에 나타난다. S21 파라미터의 전반적인 억제, 그리고 특히 통과 대역에서의 송신의 20dB 감소가 실현된다.[0031] FIGS. 3-4 illustrate graph responses of simulations of the filter switch 32 of FIG. 2 using the Agilent Advanced Design System (ADS). In this simulation, the Josephson junction (J1) is treated as a linear inductor corresponding to Josephson inductance at low drive power. The simulated component values are L S1 = L S2 = 60pH, L 1 = L 2 = 169pH, C 1 = C 2 = 1.19pF, C IC = C OC = 0.659pF and the inductance L J1 = 375pH corresponding to the junction . FIG. 3 illustrates a graph 40 of gain versus frequency representing S 21 and S 11 of a filter switch 32 that is in the 'on' state, showing a 2 GHz pass band centered at approximately 10 GHz. The S 21 parameter appears on the signal transmission plot 42 and the S 11 parameter appears on the signal reflection plot 41. Then, the filter switch 32 is switched to OFF state by applying a predetermined magnetic flux in the RF SQUID loop, thereby increasing the inductance of the joint (J 1). The increasing effective inductance of the RF SQUID is modeled by the graph 45 shown in FIG. 4 illustrating the gain versus frequency by raising the value of the junction inductance by 30 times. The S 21 parameter appears on the signal transmission plot 46 and the S 11 parameter appears on the signal reflection plot 47. An overall suppression of the S 21 parameter and, in particular, a 20 dB reduction in transmission in the passband is realized.

[0032] 도 5는 도 2의 필터 스위치(32)에 대한 출력 응답 대 시간의 그래프(50)를 출력하는 WRSpice 시뮬레이션을 예시한다. 모든 컴포넌트 값들은 앞서 표시한 것과 동일하다. 스위치 제어기(36)를 통해 전류(Ib) 및 바이어스 컴포넌트(LB)에 의해 RF SQUID에 자속 바이어스가 인가된다. 입력 파형은 -120dBm의 전력에서 10GHz 정현파이고, 자속 바이어스 파형(54)은 형상이 구분적 선형(piecewise linear)이며, 부하 종단(필터 출력)은 출력 파형(52)으로서 도시된다. 도시된 바와 같이, 0 내지 0.37Φ0의 자속 바이어스 스위프에 응답하여, 출력 전압은 80배 이상으로 변화하는데, 이는 30dB 이상의 스위치 온/오프 비에 대응한다.[0032] FIG. 5 illustrates a WRSpice simulation that outputs a graph 50 of the output response versus time for the filter switch 32 of FIG. All component values are the same as shown above. The magnetic flux bias is applied to the RF SQUID by the current I b and the bias component L B through the switch controller 36. The input waveform is a 10 GHz sine wave at a power of -120 dBm and the magnetic flux bias waveform 54 is piecewise linear and the load termination (filter output) is shown as output waveform 52. As shown, in response to a magnetic flux bias sweep from 0 to 0.37 phi 0 , the output voltage varies more than 80 times, corresponding to a switch on / off ratio of 30 dB or more.

[0033] 조지프슨 접합을 비선형 인덕터로 취급하여, 도 2의 회로상의 ADS에서 고조파 밸런스 시뮬레이션이 또한 수행되었다. 이 시뮬레이션은 조지프슨 접합들을 포함하는 회로들에서 예상된 스위치 성능의 전력 의존성을 포착한다. 도 6a는 -90dBm의 구동 전력에서 스위치를 통한 신호 송신 대 주파수의 그래프(60)를 예시한다. 도 6b는 큰 진폭(S21)뿐만 아니라 입력 전력의 함수로서 단일 주파수에서 '온' 상태인 스위치를 통한 신호 송신 전력의 그래프(62)를 예시한다. 도 6a예 예시된 시뮬레이션은 스위치가 '온' 상태 응답에 대해 열화 없이 최대 -90dBm의 입력 전력들을 처리할 수 있음을 나타낸다. 오프 상태 절연은 회로 모델의 트랜션트 분석에 따라 약 -80 내지 -85dBm에서 열화하기 시작한다. '오프' 상태에서 인가된 자속은 이러한 전력 레벨들에서 스위치 성능을 향상시키도록 조정될 수 있다.[0033] By treating the Josephson junction as a nonlinear inductor, a harmonic balance simulation in the ADS on the circuit of FIG. 2 was also performed. This simulation captures the power dependence of expected switch performance in circuits including Josephson junctions. 6A illustrates a graph 60 of signal transmission versus frequency over a switch at a drive power of -90 dBm. 6B illustrates a graph 62 of signal transmit power over a switch that is 'on' at a single frequency as a function of the input power as well as the large amplitude S 21 . The exemplary simulation shows that the switch can handle input powers of up to -90 dBm without degradation for the 'on' status response. Off state isolation begins to degrade at about -80 to -85 dBm, depending on the transient analysis of the circuit model. An applied magnetic flux in the " off " state can be adjusted to improve switch performance at these power levels.

[0034] 초전도 스위치 시스템을 제공하기 위해 필터 네트워크에 내장된 RF SQUID의 활용이 특정 일례로 예시되었다. 그러나 초전도 스위치 시스템을 제공하기 위해 필터 네트워크에 내장된 RF SQUID의 활용은 다양한 서로 다른 필터 토폴로지들에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 필터의 중심 주파수와 일치하는 주파수를 갖는 공진기들이 어드미턴스(J) 또는 임피던스(K) 인버터들을 통해 커플링되는 집중 상수 결합 공진기 토폴로지가 이용될 수 있고, 인버터들의 결합 계수들은 원하는 응답을 실현하도록 표본화된 필터 프로토타입들(예를 들어, 체비셰프, 맥스-플랫(max-flat) 등)과 관련된다. 인버터들 중 적어도 하나는 "파이" 회로 토폴로지를 갖는 유도형 네트워크로서 구현될 수 있다. 파이-섹션 인버터의 직렬 인덕터는 조지프슨 접합으로 대체될 수 있어 인버터는 RF SQUID가 된다. [0034] The use of an RF SQUID embedded in a filter network to provide a superconducting switch system has been illustrated by way of example. However, the use of the RF SQUID embedded in the filter network to provide a superconducting switch system can be used in a variety of different filter topologies. For example, a lumped constant coupling resonator topology may be used in which resonators having frequencies matching the center frequency of the filter are coupled through admittance (J) or impedance (K) inverters, and the coupling coefficients of the inverters (E.g., Chebyshev, max-flat, etc.), which are sampled to be realized. At least one of the inverters may be implemented as an inductive network having a "pi" circuit topology. The series inductors of the pi-section inverters can be replaced by Josephson junctions and the inverter becomes an RF SQUID.

[0035] 예를 들어, 도 7은 유도 K-인버터들을 사용하는 일반 결합 공진기 필터(70)의 개략도를 예시한다. 회로 컴포넌트들은 표본화된 필터 프로토타입들에 따라 계산되어 원하는 응답을 제공할 수 있다. 도 7의 회로(70)는 직렬 인덕터들 및 커패시터들의 방향을 바꾸어 각각의 커패시터 사이에 인덕터들의 T-네트워크들을 형성함으로써 변경될 수 있다. 그 다음, T-네트워크들은 파이-네트워크들로 변환되어, 결과적인 직렬 인덕터들 중 적어도 하나를 조지프슨 접합으로 교체하는 RF SQUID 설계를 통합할 수 있다. [0035] For example, FIG. 7 illustrates a schematic diagram of a general coupled resonator filter 70 using inductive K-inverters. Circuit components can be computed according to sampled filter prototypes to provide the desired response. The circuit 70 of FIG. 7 may be modified by changing the direction of the series inductors and capacitors to form the T-networks of the inductors between each capacitor. The T-networks may then be converted to pi-networks to incorporate an RF SQUID design that replaces at least one of the resulting series inductors with a Josephson junction.

[0036] 일례로, 2의 차수를 갖는 도 7의 필터 타입에 대해 초전도 스위치 시스템(80)의 다른 예의 회로 개략도가 도 8에 도시되는데, 여기서 RF SQUID 루프(84)는 접합(JA) 및 인덕터들(LA, LB)에 의해 형성된다. 인덕터(LA)는 인덕터(LH1) 및 커패시터(CA)와 함께 입력 공진기의 입력 극을 형성하는데 이용될 수 있다. 인덕터(LB)는 인덕터(LH2) 및 커패시터(CB)와 함께 출력 공진기의 출력 극을 형성하는데 이용될 수 있다. 입력 결합 인덕터(LJ1)를 통해 입력 공진기로의 입력 단자(IN)에 입력 신호(SIGIN)가 제공된다. 출력 결합 인덕터(LJ2)를 통해 출력 공진기로부터의 출력 단자(OUT)에 출력 신호(SIGOUT)가 제공될 수 있다. 커패시터(CA) 및 커패시터(CB)는 또한 RF SQUID(84)의 초전도 루프를 통과하는 유도 전류를 회로의 다른 부분들로부터 절연하는 결합 커패시터들로서 작용한다.[0036] By way of example, a circuit schematic diagram of another example of a superconductivity switch system 80 for the filter type of FIG. 7 with two orders of magnitude is shown in FIG. 8, where the RF SQUID loop 84 includes junctions J A and Are formed by inductors (L A , L B ). The inductor L A can be used to form the input pole of the input resonator together with the inductor L H1 and the capacitor C A. The inductor L B can be used together with the inductor L H2 and the capacitor C B to form the output pole of the output resonator. The input signal IN IN is supplied to the input terminal IN of the input resonator through the input coupling inductor L J1 . The output signal SIG OUT may be provided to the output terminal OUT from the output resonator through the output coupling inductor L J2 . The capacitor C A and the capacitor C B also act as coupling capacitors that isolate the induced current through the superconducting loop of the RF SQUID 84 from other parts of the circuit.

[0037] 바이어스 인덕터(LB2)는 SQUID(84)에 전류를 유도하도록 SQUID(84)에 유도 결합된다. 바이어스 인덕터(LB2)는 바이어스 인덕터(LB2)에 대한 바이어스 전류(IB2)의 양을 제어하는 스위치 제어기(86)에 의해 제어될 수 있는데, 이는 결국 SQUID(84)에서 조지프슨 접합(JA)을 통해 흐르는 유도 전류(IIND)의 양을 제어한다. 조지프슨 접합(JA)은 조지프슨 접합(JA)을 통해 흐르는 유도 전류에 기초하여 변화될 수 있는 인덕턴스를 갖는다. 조지프슨 접합(JA)은 SQUID(84)를 통해 전류가 흐르고 있지 않거나 저 전류가 흐르고 있을 때 제 1 인덕턴스 상태를 가질 수 있어, 입력 신호의 원하는 부분이 조지프슨 접합(JA)을 통해 필터 네트워크(82)를 통과하여 출력 신호로서 제공된다. 조지프슨 접합(JA)은 필터 네트워크(82)의 출력부로부터 필터 네트워크(82)의 입력부를 기본적으로 디커플링하는 제 2 인덕턴스 상태를 가져, 입력 신호가 출력 신호로서 제공되는 것을 억제할 수 있다. 이 특정 예에서, 회로 파라미터들은 LH1=LH2=104pH, LJ1=LJ2=46.0pH, LA=LB=132pH, CA=CB=1.74pF, 그리고 임계 전류(I0=0.58μA)에 대응하는 접합 유효 인덕턴스 LJ_A=566pH이다. 도 9는 '온' 상태에서 이 필터의 시뮬레이션 응답의 이득 대 주파수의 그래프(90)를 예시한다. S21 파라미터는 신호 송신 플롯(92)에 나타나고, S11 파라미터는 신호 반사 플롯(91)에 나타난다. 도 10은 '오프' 상태에서 이 필터의 시뮬레이션 응답의 이득 대 주파수의 그래프(95)를 예시한다. S21 파라미터는 신호 송신 플롯(96)에 나타나고, S11 파라미터는 신호 반사 플롯(97)에 나타난다.[0037] The bias inductor L B2 is inductively coupled to the SQUID 84 to induce a current in the SQUID 84. The bias inductor L B2 can be controlled by a switch controller 86 that controls the amount of bias current I B2 for bias inductor L B2 which eventually results in a Josephson junction J A ) of the induction current I IND flowing through the semiconductor device. The Josephson junction (J A ) has an inductance that can be varied based on the induced current flowing through the Josephson junction (J A ). The Josephson junction J A may have a first inductance state when no current flows through the SQUID 84 or when a low current is flowing so that a desired portion of the input signal is passed through the Josephson junction J A , Passes through network 82 and is provided as an output signal. The Josephson junction J A has a second inductance state that basically decouples the input of the filter network 82 from the output of the filter network 82 to inhibit the input signal from being provided as an output signal. In this particular example, the circuit parameters L H1 = L H2 = 104pH, L J1 = L J2 = 46.0pH, L A = L B = 132pH, C A = C B = 1.74pF, and the threshold current (I 0 = 0.58 μA) is bonded J_ effective inductance L a = 566pH corresponding to. Figure 9 illustrates a graph 90 of the gain versus frequency of the simulation response of this filter in the " on " state. The S 21 parameter appears in the signal transmission plot 92 and the S 11 parameter appears in the signal reflection plot 91. Figure 10 illustrates a graph 95 of the gain versus frequency of the simulation response of this filter in the " off " state. The S 21 parameter appears on the signal transmission plot 96 and the S 11 parameter appears on the signal reflection plot 97.

[0038] 다른 예로서, 도 11에 도시된 토폴로지를 갖는 3차 체비셰프 프로토타입에 기초하여 40% 대역폭 스위치(100)가 제공될 수 있다. 도 11의 인덕터(L1)는 조지프슨 접합으로 대체될 수 있고, RF SQUID는 다음에 L1과 공진기들(PLC8, PLC9)의 션트 인덕턴스들의 결합으로 형성된다. 도 12는 조지프슨 접합이 선형 인덕터에 의해 근사화되는 '온' 상태에서의 이 설계의 S-파라미터 시뮬레이션의 결과들의 그래프(110)를 보여준다. S21 파라미터는 신호 송신 플롯(111)에 나타나고, S11 파라미터는 신호 반사 플롯(112)에 나타난다. 도 13은 조지프슨 접합이 선형 인덕터에 의해 근사화되는 '오프' 상태에서의 이 설계의 S-파라미터 시뮬레이션의 결과들의 그래프(120)를 보여준다. S21 파라미터는 신호 송신 플롯(121)에 나타나고, S11 파라미터는 신호 반사 플롯(122)에 나타난다. [0038] As another example, a 40% bandwidth switch 100 may be provided based on a tertiary Chebyshev prototype with the topology shown in FIG. The inductor L1 of FIG. 11 may be replaced by a Josephson junction, and the RF SQUID is then formed by a combination of shunt inductances of L1 and resonators (PLC8, PLC9). Figure 12 shows a graph 110 of the results of an S-parameter simulation of this design in the " on " state in which the Josephson junction is approximated by a linear inductor. The S 21 parameter appears in the signal transmission plot 111 and the S 11 parameter appears in the signal reflection plot 112. Figure 13 shows a graph 120 of the results of an S-parameter simulation of this design in the " off " state in which the Josephson junction is approximated by a linear inductor. The S 21 parameter appears in the signal transmission plot 121 and the S 11 parameter appears in the signal reflection plot 122.

[0039] 요약하면, RF SQUID 튜닝 가능 인덕턴스 커플러가 결합 공진기 대역 통과 필터에 내장되어 20dB보다 더 양호한 온/오프 비, 최대 40% 대역폭 및 최대 -85dBm의 입력 전력들로 마이크로파 스위치를 구현할 수 있다. SFQ 제어와 호환 가능한 방식으로 RF SQUID로의 자속 인가에 의해 스위치를 작동된다. [0039] In summary, an RF SQUID tunable inductance coupler is embedded in the coupled resonator bandpass filter to achieve a microwave switch with better on / off ratio than 20dB, up to 40% bandwidth, and input powers up to -85dBm. The switch is operated by magnetic flux to the RF SQUID in a manner compatible with the SFQ control.

[0040] 앞서 설명한 상기 구조적 및 기능적 특징들의 관점에서, 본 발명의 다양한 양상들에 따른 방법은 도 14를 참조로 보다 잘 이해될 것이다. 설명의 단순화를 위해, 도 14의 방법은 순차적으로 실행되는 것으로 도시 및 설명되지만, 일부 양상들은 본 발명에 따라, 본 명세서에서 도시 및 설명된 것과는 다른 순서들로 그리고/또는 다른 양상들과 동시에 발생할 수 있으므로, 본 발명은 예시된 순서로 제한되지 않는다고 이해 및 인식되어야 한다. 더욱이, 본 발명의 한 양상에 따라 방법을 구현하기 위해 예시된 모든 특징들이 요구되는 것은 아닐 수도 있다.[0040] In view of the structural and functional aspects described above, the method according to various aspects of the present invention will be better understood with reference to Fig. 14 is shown and described as being executed sequentially, some aspects may, in accordance with the present invention, occur in different orders and / or concurrently with other aspects than those shown and described herein It is to be understood and appreciated that the invention is not limited to the illustrated order. Moreover, not all illustrated features may be required to implement a method in accordance with one aspect of the present invention.

[0041] 도 14는 초전도 스위치 시스템을 제공하기 위한 방법(150)을 예시한다. 이 방법은 152에서 시작되는데, 여기서는 입력 신호를 스위치를 통해 출력 신호로서 통과시키거나 입력 신호가 스위치의 출력으로 통과하는 것을 억제하기 위해 원하는 통과 대역 출력이 결정된다. 154에서, 초전도 스위치를 제공하기 위해 원하는 대역 통과 필터 토폴로지가 결정된다. 앞서 논의한 바와 같이, 원하는 대역 통과 출력 응답에 기초하여 초전도 스위치 시스템을 제공하도록 다양한 서로 다른 필터 토폴로지들 중에서 선택될 수 있다. 156에서, 선택된 필터 토폴로지에 기초하여 RF SQUID 삽입점이 결정된다. 방법은 다음에 158로 진행한다.[0041] 14 illustrates a method 150 for providing a superconducting switch system. The method begins at 152 where the desired passband output is determined to either pass the input signal as an output signal through the switch or to inhibit the input signal from passing to the output of the switch. At 154, the desired bandpass filter topology is determined to provide a superconducting switch. As discussed above, a variety of different filter topologies may be selected to provide a superconducting switch system based on the desired bandpass output response. At 156, the RF SQUID insertion point is determined based on the selected filter topology. The method then proceeds to 158.

[0042] 158에서, 결정된 대역 통과 필터 토폴로지 및 RF SQUID 삽입점에 기초하여 원하는 대역 통과 출력을 제공하도록 하나 이상의 입력 공진기들 및 하나 이상의 출력 공진기 컴포넌트 값들이 선택된다. 이는 SQUID를 통해 흐르는 전류가 회로의 다른 부분들로 흐르지 않게 하기 위해 공진기들이 절연 커패시터들을 포함하는 것을 보장하는 것을 포함한다. SQUID는 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트(예를 들어, 조지프슨 접합)의 대향 측들에 커플링된 제 1 및 제 2 인덕터를 포함할 수 있다. 160에서, RF SQUID 컴포넌트 값들은 SQUID 선형 인덕턴스가 가변 인덕턴스 엘리먼트의 인덕턴스를 초과하지 않음을 보장함으로써 제약된 원하는 대역 통과 출력 및 하나 이상의 출력 공진기 컴포넌트 값들에 기초하여 결정된다. [0042] At 158, one or more input resonators and one or more output resonator component values are selected to provide a desired bandpass output based on the determined bandpass filter topology and the RF SQUID insertion point. This includes ensuring that the resonators include isolated capacitors so that current flowing through the SQUID does not flow to other parts of the circuit. The SQUID may include first and second inductors coupled to opposing sides of the variable inductance coupling element (e.g., Josephson junction). At 160, the RF SQUID component values are determined based on the constrained desired bandpass output and one or more output resonator component values by ensuring that the SQUID linear inductance does not exceed the inductance of the variable inductance element.

[0043] SQUID 선형 인덕턴스가 가변 인덕턴스 엘리먼트의 인덕턴스를 초과하지 않음을 보장하는 것은 RF SQUID의 전위가 반드시 단안정이 되게 한다. 162에서, 바이어스 인덕터가 입력 신호의 원하는 통과 대역을 통과시키기 위한 통과 상태에서 입력 신호를 억제하기 위한 억제 상태로 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트의 값을 변화시킬 수 있는 전류를 SQUID에서 유도하도록 앞서 선택된 컴포넌트들, 바이어스 인덕터 및 스위치 제어기를 갖는 마이크로파 스위치를 포함하는 초전도 스위치 시스템이 구축된다.[0043] Ensuring that the SQUID linear inductance does not exceed the inductance of the variable inductance element ensures that the potential of the RF SQUID is always monostable. At 162, the previously selected components, such as the previously selected components to derive a current in the SQUID that can change the value of the variable inductance coupling element to a suppression state to suppress the input signal in the pass state for passing the desired pass band of the input signal, A superconducting switch system including a microwave switch having a bias inductor and a switch controller is constructed.

[0044] 위에서 설명한 것은 본 발명의 예들이다. 물론, 본 발명을 설명하기 위해 컴포넌트들 또는 방법들의 모든 생각할 수 있는 조합을 설명할 수 있는 것이 아니라, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 많은 추가 조합들 및 치환이 가능하다고 인식할 것이다. 이에 따라, 본 발명은 첨부된 청구항들을 포함하여 본 출원의 범위 내에 있는 그러한 모든 변경들, 수정들 및 변형들을 포괄하는 것으로 의도된다.[0044] The above is an example of the present invention. It is, of course, not possible to describe all conceivable combinations of components or methods for purposes of describing the present invention, but one of ordinary skill in the art will recognize that many further combinations and permutations of the present invention will be. Accordingly, the invention is intended to embrace all such alterations, modifications and variations that fall within the scope of the present application, including the appended claims.

Claims (20)

초전도 스위치 시스템으로서,
입력부 및 출력부를 갖는 필터 네트워크;
상기 입력부를 상기 출력부에 커플링하는 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트 ― 상기 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트는 입력 신호의 원하는 부분이 출력 신호로서 상기 입력부로부터 상기 출력부로 통과하게 하는 제 1 인덕턴스 상태, 및 상기 입력 신호의 원하는 부분이 상기 입력부로부터 상기 출력부로 통과하는 것을 억제하는 제 2 인덕턴스 상태를 가짐 ―; 및
상기 제 1 인덕턴스 상태와 상기 제 2 인덕턴스 상태 간의 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트의 스위칭을 제어하도록 구성된 스위치 제어기를 포함하는,
초전도 스위치 시스템.A superconducting switch system comprising:
A filter network having an input and an output;
A variable inductance coupling element coupling the input to the output, the variable inductance coupling element comprising: a first inductance state that causes a desired portion of the input signal to pass from the input to the output as an output signal; A second inductance state to inhibit passage of a portion from the input to the output; And
And a switch controller configured to control switching of the variable inductance coupling element between the first inductance state and the second inductance state,
Superconducting switch system. 제 1 항에 있어서,
상기 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트는 자속 제어 가변 인덕터로서 구성되며,
상기 자속 제어 가변 인덕터로는 상기 자속 제어 가변 인덕터를 통해 흐르는 전류의 진폭에 기초하여 상기 가변 인덕턴스를 제공하는,
초전도 스위치 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the variable inductance coupling element is configured as a magnetic flux control variable inductor,
Wherein the magnetic flux control variable inductor includes a variable inductance element that provides the variable inductance based on an amplitude of a current flowing through the variable magnetic flux controlling inductor,
Superconducting switch system. 제 2 항에 있어서,
제 1 인덕터 및 하나 이상의 추가 임피던스 컴포넌트들로 형성된 하나 이상의 입력 공진기들 그리고 제 2 인덕터 및 하나 이상의 추가 임피던스 컴포넌트들로 형성된 하나 이상의 출력 공진기들을 더 포함하는,
초전도 스위치 시스템.3. The method of claim 2,
One or more input resonators formed of a first inductor and one or more additional impedance components, and one or more output resonators formed of a second inductor and one or more additional impedance components.
Superconducting switch system. 제 3 항에 있어서,
상기 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트는 조지프슨 접합(Josephson junction)을 포함하는,
초전도 스위치 시스템.The method of claim 3,
Wherein the variable inductance coupling element comprises a Josephson junction,
Superconducting switch system. 제 4 항에 있어서,
조지프슨 접합은 제 1 단부 상에서 상기 제 1 인덕터에 그리고 제 2 단부 상에서 제 2 인덕터에 커플링되어, 상기 제 1 인덕터, 상기 조지프슨 접합 및 상기 제 2 인덕터가 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID: Superconducting Quantum Interference Device)를 형성하는,
초전도 스위치 시스템.5. The method of claim 4,
The Josephson junction is coupled to the first inductor on a first end and to a second inductor on a second end such that the first inductor, the Josephson junction, and the second inductor are coupled to a superconducting quantum interference device (SQUID: Superconducting Quantum Interference Device)
Superconducting switch system. 제 5 항에 있어서,
바이어스 엘리먼트를 더 포함하며,
상기 바이어스 엘리먼트는 상기 바이어스 엘리먼트를 통해 흐르는 전류에 기초하여 상기 SQUID를 통해 전류를 유도하도록 상기 SQUID에 유도 결합되는,
초전도 스위치 시스템.6. The method of claim 5,
Further comprising a bias element,
Wherein the bias element is inductively coupled to the SQUID to induce a current through the SQUID based on a current flowing through the bias element,
Superconducting switch system. 제 6 항에 있어서,
상기 스위치 제어기는 상기 바이어스 엘리먼트를 통하는 전류의 양을 제어하는,
초전도 스위치 시스템.The method according to claim 6,
Wherein the switch controller controls the amount of current through the bias element,
Superconducting switch system. 제 7 항에 있어서,
상기 스위치 제어기는 상기 제 1 인덕턴스를 제공하도록 실질적으로 상기 SQUID에 저 전류를 유도하거나 어떠한 전류도 유도하지 않는 전류를 상기 바이어스 엘리먼트에 제공하거나 어떠한 전류도 제공하지 않을 수 있고 또는 상기 SQUID에 인가된 약 0.1Φ0 내지 약 0.45Φ0의 자속으로 인해 실질적으로 미리 결정된 제 2 전류를 유도하는 전류를 상기 바이어스 엘리먼트에 제공할 수 있으며,
여기서 Φ0은 자속 양자와 같은,
초전도 스위치 시스템.8. The method of claim 7,
The switch controller may provide a current to the bias element that substantially induces a low current in the SQUID or does not induce any current to provide the first inductance or may not provide any current, Can provide a current to the bias element that induces a substantially predetermined second current due to a magnetic flux of from 0.1Φ 0 to about 0.45Φ 0 ,
Where < RTI ID = 0.0 ># 0 < / RTI &
Superconducting switch system. 제 5 항에 있어서,
상기 필터 네트워크의 입력과 상기 SQUID 사이에 커플링된 입력 결합 커패시터 및 상기 필터 네트워크의 출력과 상기 SQUID 사이에 커플링된 출력 결합 커패시터를 더 포함하며,
상기 입력 결합 커패시터 및 상기 출력 결합 커패시터는 상기 SQUID를 통해 흐르는 전류가 상기 필터 네트워크의 다른 부분들을 통해 흐르지 않게 절연됨을 보장하는,
초전도 스위치 시스템.6. The method of claim 5,
An input coupling capacitor coupled between the input of the filter network and the SQUID and an output coupling capacitor coupled between the output of the filter network and the SQUID,
Wherein the input coupling capacitor and the output coupling capacitor ensure that the current flowing through the SQUID is insulated from flowing through the other portions of the filter network,
Superconducting switch system. 초전도 스위치 시스템으로서,
입력 단자 및 출력 단자를 갖는 필터 네트워크;
상기 입력 단자와 상기 출력 단자 사이에 커플링된 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID) ― 상기 SQUID는 조지프슨 접합, 상기 조지프슨 접합의 제 1 단부에 커플링된 제 1 인덕터 및 상기 조지프슨 접합의 제 2 단부에 커플링된 제 2 인덕터를 갖고, 상기 제 1 및 제 2 인덕터의 대향 단부들은 공통 전위에 커플링되어 초전도 루프를 형성함 ―; 및
상기 초전도 루프를 통한 유도 전류의 양을 제어하여, 상기 입력 단자에 제공된 입력 신호의 원하는 대역폭 부분이 상기 출력 단자에서 제공되는 제 1 인덕턴스 상태와, 상기 입력 단자에 제공된 입력 신호의 원하는 대역폭 부분이 상기 출력 단자로 통과하는 것이 억제되는 제 2 인덕턴스 상태 간에 상기 조지프슨 접합을 스위칭하도록 구성된 스위치 제어기를 포함하는,
초전도 스위치 시스템.A superconducting switch system comprising:
A filter network having an input terminal and an output terminal;
A superconducting quantum interference device (SQUID) coupled between the input terminal and the output terminal, the SQUID comprising a Josephson junction, a first inductor coupled to a first end of the Josephson junction, and a second inductor coupled to a second inductor of the Josephson junction A second inductor coupled to the end, the opposite ends of the first and second inductors being coupled to a common potential to form a superconducting loop; And
A first inductance state in which a desired bandwidth portion of the input signal provided to the input terminal is provided at the output terminal and a desired inductance state in which a desired bandwidth portion of the input signal provided at the input terminal is controlled by the control means, And a switch controller configured to switch the Josephson junction between a second inductance state in which passage to the output terminal is inhibited.
Superconducting switch system. 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 인덕터 및 하나 이상의 추가 임피던스 컴포넌트들로 형성된 하나 이상의 입력 공진기들 그리고 상기 제 2 인덕터 및 하나 이상의 추가 임피던스 컴포넌트들로 형성된 하나 이상의 출력 공진기들을 더 포함하는,
초전도 스위치 시스템.11. The method of claim 10,
One or more input resonators formed of the first inductor and one or more additional impedance components and one or more output resonators formed of the second inductor and one or more additional impedance components.
Superconducting switch system. 제 11 항에 있어서,
상기 하나 이상의 입력 공진기들 및 출력 공진기들 중 적어도 하나는 단락 전송선 스터브들로서 구현되는,
초전도 스위치 시스템.12. The method of claim 11,
Wherein at least one of the one or more input resonators and the output resonators is implemented as short-
Superconducting switch system. 제 11 항에 있어서,
입력 공진기는 제 3 인덕터와 직렬로 커플링되고 제 1 커패시터와 병렬로 커플링되는 제 1 인덕터로 형성되고, 출력 공진기는 제 4 인덕터와 직렬로 커플링되고 제 2 커패시터와 병렬로 커플링되는 제 2 인덕터로 형성되는,
초전도 스위치 시스템.12. The method of claim 11,
The input resonator is formed of a first inductor coupled in series with the third inductor and coupled in parallel with the first capacitor, the output resonator coupled in series with the fourth inductor and coupled in parallel with the second capacitor, 2 < / RTI > inductor,
Superconducting switch system. 제 11 항에 있어서,
입력 공진기는 제 1 커패시터와 직렬로 커플링되고 제 3 인덕터와 병렬로 커플링되는 제 1 인덕터로 형성되고, 출력 공진기는 제 2 커패시터와 직렬로 커플링되고 제 4 인덕터와 병렬로 커플링되는 제 2 인덕터로 형성되는,
초전도 스위치 시스템.12. The method of claim 11,
Wherein the input resonator is formed of a first inductor coupled in series with a first capacitor and coupled in parallel with a third inductor, the output resonator coupled in series with the second capacitor and coupled in parallel with the fourth inductor, 2 < / RTI > inductor,
Superconducting switch system. 제 14 항에 있어서,
상기 입력 단자와 상기 제 3 인덕터 사이의 입력 결합 인덕터, 및 상기 출력 단자와 상기 제 4 인덕터 사이의 출력 결합 인덕터를 더 포함하는,
초전도 스위치 시스템.15. The method of claim 14,
Further comprising an input coupling inductor between the input terminal and the third inductor, and an output coupling inductor between the output terminal and the fourth inductor.
Superconducting switch system. 제 10 항에 있어서,
바이어스 엘리먼트를 더 포함하며,
상기 바이어스 엘리먼트는 상기 바이어스 엘리먼트를 통해 흐르는 전류에 기초하여 상기 SQUID를 통해 전류를 유도하도록 상기 SQUID에 유도 결합되는,
초전도 스위치 시스템.11. The method of claim 10,
Further comprising a bias element,
Wherein the bias element is inductively coupled to the SQUID to induce a current through the SQUID based on a current flowing through the bias element,
Superconducting switch system. 제 16 항에 있어서,
상기 스위치 제어기는 상기 제 1 인덕턴스를 제공하도록 실질적으로 상기 SQUID에 저 전류를 유도하거나 어떠한 전류도 유도하지 않는 전류를 상기 바이어스 엘리먼트에 제공하는 것 또는 상기 제 2 인덕턴스를 제공하도록 실질적으로 상기 SQUID에 미리 결정된 제 2 전류를 유도하는 전류를 상기 바이어스 엘리먼트에 제공하는 것 사이에서 전환하며,
상기 스위치 제어기는 상기 제 1 인덕턴스에서 '온' 상태이고, 상기 제 2 인덕턴스에서 '오프' 상태인,
초전도 스위치 시스템.17. The method of claim 16,
Wherein the switch controller is operable to provide a current to the bias element that substantially induces a low current in the SQUID or does not induce any current to provide the first inductance, And providing a current to the bias element to induce a determined second current,
The switch controller being in an 'on' state at the first inductance and an 'off' state at the second inductance,
Superconducting switch system. 제 10 항에 있어서,
상기 입력 단자와 상기 SQUID 사이에 커플링된 입력 결합 커패시터 및 상기 출력 단자와 상기 SQUID 사이에 커플링된 출력 결합 커패시터를 더 포함하며,
상기 입력 결합 커패시터 및 상기 출력 결합 커패시터는 상기 SQUID를 통해 흐르는 전류가 상기 필터 네트워크의 다른 부분들을 통해 흐르지 않게 절연됨을 보장하는,
초전도 스위치 시스템.11. The method of claim 10,
An input coupling capacitor coupled between the input terminal and the SQUID, and an output coupling capacitor coupled between the output terminal and the SQUID,
Wherein the input coupling capacitor and the output coupling capacitor ensure that the current flowing through the SQUID is insulated from flowing through the other portions of the filter network,
Superconducting switch system. 초전도 스위치 시스템을 제공하는 방법으로서,
입력 신호의 원하는 대역폭 부분을 초전도 스위치의 출력으로 통과시키기 위한 원하는 대역 통과 출력을 결정하는 단계;
상기 초전도 스위치에 대한 대역 통과 필터 네트워크 토폴로지를 결정하는 단계;
상기 대역 통과 필터에서 무선 주파수(RF: radio frequency) 초전도 양자 간섭 디바이스(SQUID) SQUID 삽입점을 결정하는 단계 ― 상기 RF SQUID는 초전도 루프에서 제 1 단부 상에서 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트에 커플링된 제 1 인덕터 및 제 2 단부 상에서 상기 가변 인덕턴스 결합 엘리먼트에 커플링된 제 2 인덕터를 포함함 ―;
상기 초전도 스위치를 제공하기 위한 하나 이상의 입력 공진기들 및 하나 이상의 출력 공진기 컴포넌트 값들을 결정하는 단계; 및
초전도체 스위치 시스템을 구축하는 단계를 포함하며,
상기 초전도체 스위치 시스템은, 상기 하나 이상의 입력 공진기들, 상기 하나 이상의 출력 공진기들 및 상기 RF SQUID를 포함하는 상기 초전도 스위치, 상기 RF SQUID에 커플링된 바이어스 인덕터, 및 상기 바이어스 인덕터를 통과하여 상기 RF SQUID에 유도된 전류의 양을 스위칭하여 상기 초전도체 스위치 시스템을 '온' 상태와 '오프' 상태 중 하나 사이에서 변화시키는 스위치 제어기를 포함하는,
초전도 스위치 시스템을 제공하는 방법.A method of providing a superconducting switch system,
Determining a desired bandpass output for passing a desired bandwidth portion of the input signal to an output of the superconducting switch;
Determining a bandpass filter network topology for the superconducting switch;
Determining a radio frequency (RF) superconducting quantum interference device (SQUID) SQUID insertion point in the bandpass filter, the RF SQUID comprising a first inductor coupled to a variable inductance coupling element on a first end in a superconducting loop, And a second inductor coupled to the variable inductance coupling element on a second end;
Determining one or more input resonators and one or more output resonator component values to provide the superconducting switch; And
Constructing a superconductor switch system,
The superconductor switch system includes a superconducting switch comprising the at least one input resonator, the at least one output resonator and the RF SQUID, a bias inductor coupled to the RF SQUID, and a bias inductor coupled to the RF SQUID And a switch controller for switching the amount of current induced in the superconductor switch system between one of an 'on' state and an 'off' state.
A method of providing a superconducting switch system. 제 19 항에 있어서,
상기 RF SQUID에 대한 인덕터 컴포넌트 값들을 결정하는 단계를 더 포함하며,
상기 RF SQUID의 인덕터 컴포넌트 값들을 결정하는 단계는, 상기 RF SQUID 선형 인덕턴스가 상기 가변 인덕턴스 엘리먼트의 인덕턴스를 초과하지 않음을 보장하는 단계를 포함하는,
초전도 스위치 시스템을 제공하는 방법.20. The method of claim 19,
Further comprising determining inductor component values for the RF SQUID,
Wherein determining the inductor component values of the RF SQUID comprises ensuring that the RF SQUID linear inductance does not exceed an inductance of the variable inductance element.
A method of providing a superconducting switch system.
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